CN0503

光学測定の基本と理論

光学を基本とする測定を行うには、光による現象をデジタル化して表示や更なる処理を行うために電気信号に変換できる、様々な光学素子、電子素子、光電子素子が必要です。図 2 に示すように、光学測定システムは、通常、固定波長または波長調整可能の単色光源、サンプル配置の決定手段（キュベットやフロー・スルー・セルなど）、1 個または複数のフォトディテクタなどで構成されます。ドリフトを補正するために入射光強度のサンプリング手段が含まれる場合もあります。また、周辺光による干渉はビームを変調、すなわちチョッピングし、これと同期して検出器出力を復調することで除去できます。

半導体光源および検出器の進歩により、小型低消費電力の光学測定システムが可能となりましたが、LED を駆動し、フォトダイオード電流を増幅してデジタル化し、意味のある測定結果を計算するには、精度の高い回路が必要です。

ADPD4101 マルチモード・センサー・フロント・エンド

この CN-0503 の中核をなすのは、高集積マルチモード・センサー・フロント・エンドである ADPD4101 です。ADPD4101 は、必須となる LED 駆動回路とフォトダイオード・シグナル・コンディショニング回路をすべて内蔵しています。このデバイスは、最大 8 個の LED を励起し、戻り信号を最大 8 つの別々の電流入力で測定します。タイムスロットが 12 個あるため、サンプリング周期ごとに最大 12 の測定ができます。制御回路には柔軟なLED 信号制御と同期検出機能があり、一定な周辺光や変調された周辺光（太陽光、LED、蛍光、その他の光源など）による干渉を除去できます。内部でのデジタル・フィルタ処理により、他のノイズ源だけでなく光害（不要光による悪影響）によるノイズも更に除去できます。

合計 400mAの LED 駆動能力、100dB のダイナミック・レンジ、8 個の入出力を備えた ADPD4101 は、フォトメトリック液体分析アプリケーションを含む高性能の実験室用計測器やハンドヘルド計測器に最適なソリューションです。

サンプリング・レートと LED 駆動電流は微調整可能であり、消費電力と S/N 比（SNR）とのバランスを図ることができます。毎秒 25サンプリング時の消費電力は、LED駆動と ADPD4101 の消費電力を合計して 30µW で、持ち運び可能な計測器や、バッテリ駆動型のモノのインターネット（IoT）向けセンシング・ノードでの使用に最適です。

周辺光除去と SNR の最適化

ADPD4101 は、LED 電流を変調し、励起されたオン状態と暗（オフ）状態の間の差を同期測定することで、一定な周辺光（太陽光など）による悪影響を除去します。この周辺光の除去は、外部の制御ループ、DC 電流の減算、あるいはデジタル・アルゴリズムなどを必要とせず、自動的に行われます。励起パルス幅は最小 1µs の幅までプログラム可能で、これにより最新の半導体光源からの最大1MHz、白熱灯からの50Hzまたは60Hz、従来型の安定器を備えた蛍光灯の影響を除去できます。パルス幅を短くすることで、最大限の周辺光除去と最小限の消費電力が可能になりますが、SNR は悪化します。

サンプリングごとのパルス数を増加すれば、SNR は改善できます。パルスを 2 倍にするごとに 3dB の改善が得られます。パルス数の半分について積分器のシーケンスを反転させる、デジタル積分器チョッピングを追加することも可能です。このチョッピングにより、積分器によってもたらされる低周波数の信号が除去でき、SNR が更に向上します。

ADPD4101 には、様々な条件下で SNR と周辺光除去を更に向上できるモードも複数備わっています。ADPD4101 がサポートするその他のモードについては、表 1 を参照してください。

強力な周辺光除去は、光路の不完全性を補う手段と組み合わさることで、シールディングの必要性が緩和もしくは除去され、ADPD4101 を使用する際の収容器の設計が大幅に簡素化されます。

光学測定経路の構成

CN-0503 には構成可能な光路が 4 つあります。それぞれの光路は、励起 LED、集光レンズ、ビーム・スプリッタ、リファレンス・フォトダイオード、透過光用フォトダイオードからなっています。外側の 2 つの光路には、垂直測定用フォトダイオードとフィルタ・レセプタクルがあり、蛍光測定や散乱測定が可能です。アプリケーション上必要な場合には、オプションで、狭帯域のバンドパス・フィルタと中性濃度（ND）フィルタを各光路に追加することもできます。

ライザ・ボードは交換可能なため、光路ごとに様々な波長に設定することができます。このライザ・ボードによって、LED が集光レンズの焦点に配置されます。

集光レンズは、LED からの光を光路方向に向かう 1 本のビームに集光します。吸光度測定や蛍光発光測定など、特定波長の励起が必要な測定で広帯域 LED の使用を補助するため、バンドパス・フィルタを集光レンズの前に追加することもできます。更に、通常の LED 強度ではすぐに飽和してしまうような非常に弱い光測定が必要なアプリケーション向けに、NDフィルタを集光レンズの前に追加して LED 光を均一に減衰させることもできます。

ビーム・スプリッタは、入射ビームの一部をリファレンス・フォトダイオードに振り向けます。リファレンス・ダイオードの測定結果は入射光強度を示すもので、これを利用して、ADPD4101 の電流源の精度、LED の伝達関数、光路自体、温度ドリフトなどによる誤差を補正できます。

透過光用フォトダイオードは光路の直上に配置され、サンプルを透過した光を受けます。システムの 4 つの光路すべてが、リファレンス・フォトダイオードの測定結果と組み合わせて、吸光度と 180º 散乱について比率測定を実行できます。

外側の 2 つの光路では、光路から直角の方向に配置されたフォトダイオードが、サンプルによって放出または散乱された光を受けます。外側の各光路に使用するフォトダイオードの組み合わせは、選択ヘッダを使用して設定できます。また、狭帯域幅フィルタを垂直フォトダイオードの前に配置することで、蛍光を散乱光から更に分離することができます。

蛍光測定

蛍光発光は、特定の材料の電子が光（通常は紫外線の範囲の波長）のビームによって励起され、ほぼ同時に別の波長の光をその材料から放出させる現象です。放出される光の強度は材料の濃度によります。溶液中の材料の濃度を測定するために蛍光測定を用いた場合、吸光度測定を用いる場合よりはるかに高感度です。更に、蛍光測定は幅広い範囲の濃度にわたり直線的です。

通常、蛍光測定では、測定時の入射光の影響を最小限に抑えるため、検出器を入射光に対し90ºの位置に配置します。光源からのビームの歪み、外部照明、サンプルのわずかな動きなど、測定に影響する要因は複数あるため、入射光を測定するためのリファレンス検出器が使用されます。更に、蛍光検出器には単色フィルタまたはロングパス・フィルタを用いて、入射光と放出光との分離を強化します。図 4 に、蛍光測定で使用する光路を示します。

CN-0503 は、2 つの外側光路のいずれかを使用することで蛍光測定が可能です。例えば、トニック・ウォーター中のキニーネの量を判定する場合を考えます。この場合、365nm の光で励起された場合 450nm の蛍光が発生します。365nm の LED は 2 つの外側光路の 1 つに組み込まれ、410nm のロングパス・フィルタが垂直方向のフォトダイオードの前に配置されます。蛍光（したがってキニーネの量）は、垂直方向測定と透過測定との比を取ることで求まります。

吸光度測定

比色分析は、液体溶液中の溶質による光吸収性を利用して、ランベルト・ベールの法則に基づきその濃度を決定するものです（式 1）。

ここで、
c はモル濃度。
εモル減衰係数。
l は光路長。
I₀は入射光強度。
I は透過光強度。

比色分析はまた、溶質濃度が試薬の色変化で示されるような測定でも使用されます。

図 5 に、吸光度測定で使用する光路構成を示します。入射ビームはビーム・スプリッタに向けられ、ここでビーム強度がリファレンス・フォトダイオードによりサンプリングされ、残りの光パワーはサンプルを通過します。このリファレンス測定によって、ゲイン誤差とドリフトの大半をソフトウェアで除去できます。2 つの同一の受光経路が測定ビームとリファレンス・ビームを同時にサンプリングするため、時間的に変動する周辺光の影響が除去できます。受光経路間のゲインの不一致は、受光パスを交互に切り換えその結果を平均化することで、更に軽減されます。

CN-0503 は、全光路において吸光度測定に対応します。これらの測定は、水質分析に各種アプリケーションのある比色分析で使用されます。例えば、ブロモチモール・ブルーをインジケータとして使用し、溶液の pH を決定する場合を考えます。図 6 に、異なる pHに対応した、ブロモチモール・ブルーの吸光度の波長依存性を示します。2 つの異なる波長で、pH の違いに対応して吸光度の値が幅広い範囲で変化することがわかります。これを利用して、430nm と 615nm という 2 つの特定波長の光源を用いた吸光度測定に基づき、溶液の pHを効果的に求めることができます。

キャリブレーション係数は、pH が既知の緩衝液の吸光度を測定して求めます。この値はその後未知のサンプルの pHを求めるために使用します。

濁度測定

濁度測定では、液体サンプルに懸濁された不溶性物質の光散乱性を利用します。材料によって散乱される光の量は散乱角と共に、入射光の波長と粒子サイズによって異なります。配置、検出器の数、光源の波長に応じて測定単位を設定する、濁度の濁度の測定標準が開発されました。図 7 に、90ºまたは 180ºの検出器を使用した濁度測定の光路を示します。

プラットフォームでは、ネフェロメ濁度単位（NTU）、ホルマジン濁度単位（FTU）、減衰単位（AU）、ホルマジン減衰単位（FAU）の使用に焦点を置いています。

• NTU は、入射ビームに対し 90º の位置に配置された単一の検出器を使用して測定されます。400nm～680nm にピーク・スペクトル出力を持つ広帯域光源を使用します。
• FTU は NTU と同様ですが、780nm～900nm にピーク・スペクトル出力を持つ単色赤外光源を使用して、飲料水の水質規格である ISO7027 に適合しています。
• AU は NTU と同様ですが、検出器は入射ビームに対し 180ºの位置になっています。
• FAU は AU と等価ですが、ISO7027 に適合しています。

2 つの外側光路は、透過光用フォトダイオードとリファレンス・フォトダイオードの組み合わせ、または垂直測定用フォトダイオードとリファレンス・フォトダイオードの組み合わせを使用することで、濁度測定用に構成できます。ISO7027 に準拠するためには赤外線波長 LED を使用しますが、ISO7027 に準拠する必要のない大半の測定では、530nm の LED が適しています。

ソフトウェア操作

ADPD4101 は、同期検出や平均処理といった必要な再処理の多くを、ユーザに意識させることなく実行するため、アプリケーション・ソフトウェアのオーバーヘッドは著しく軽減されます。CN-0503 のサンプル・ファームウェアは、ADPD4101 のパラメータの設定と読出しを行う機能一式と、読出し値の組み合わせに対する算術演算機能（比、オフセット、多項式）を、すべて簡素なシリアル・テキスト・プロトコルで提供します。更に、各種設定は CN-0503 のオンボード EEPROM に保存することができるため、アプリケーション・ソフトウェアは、電源投入時の既知の状態に容易に戻すことができます。

結果

図 8 に代表的な蛍光測定を示します。365nm の LED が光路 1 に配置され、450nm のフィルタが垂直検出光路に置かれています。最初にシステムを蒸留水で補正してから、0.04ppm のキニーネを含むサンプルをキュベット・ホルダーに挿入しています。